4.2.2. Основным субстратом дыхания у растений является глюкоза.
Основным субстратом дыхания у растений является глюкоза и ее производные, хотя в особых случаях дыхание могут поддерживать белки и жиры, запасенные в семенах. Глюкоза образуется в клетках растений при гидролизе крахмала и сахарозы, образованных при фотосинтезе.
Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, амилозы и амилопектина Молекулы амилозы – это длинные, неразветвленные цепи D-глюкопиранозных остатков, соединенных гликозидными (1 4) связями. Молекулы амилопектина также представлены цепями D-глюкопиранозными остатками, которые в точке ветвления образуют (1 6) связь. Крахмал как запасной полисахарид накапливается в хлоропластах и пластидах гетеротрофных тканей. Некоторые растения в качестве запасных углеводов могут использовать инулин (топинамбур, георгин), гемицеллюлозы. Сахароза синтезируется в цитозоле и представляет собой дисахарид, образованный остатками глюкозы и фруктозы. Из фотосинтезирующих клеток сахароза по апопласту и сосудам флоэмы транспортируется в другие органы растения.
Крахмал расщепляется до моносахаридов при участии ряда ферментов ( - амилазы, амилазы, -1,6-глюкозидазы, крахмал-фосфорилазы) с образованием D-глюкозы или
D- глюкозо-1-фосфата. Распад сахарозы может идти при обращении реакций ее синтеза ( см. «фотосинтез»), но в основном происходит в результате гидролиза при участии инвертазы:
Сахароза + Н2О фруктоза + глюкоза
В геноме таких растений, как томат, кукуруза, арабидопсис, морковь обнаружено целое семейство ядерных генов, кодирующих разные изоформы инвертазы. Например, у моркови кислые инвертазы (оптимум рН- 4,5-5,0) в пяти разных изоформах присутствуют в вакуоли и клеточной стенке. В цитозоле есть нейтральная инвертаза (оптимум рН 7,0-8,0), которая также может иметь несколько изоформ. Таким образом, у растений гидролиз сахарозы может идти в разных клеточных компартментах и контролируется сложным образом через активность инвертаз, обладающих разными свойствами.
4.2.3. Гликолиз – первый этап дыхания, в ходе которого глюкоза окисляется до пирувата.
Гликолиз- это универсальная последовательность реакций, общая для всех известных науке организмов. В ходе этих реакций глюкоза последовательно окисляется до пирувата, что сопровождается образованием 2 молекул НАДН и синтезом двух молекул АТФ. Несомненно, что гликолиз - эволюционно самый ранний из известных способов получения энергии, и единственный для многих анаэробных бактерий. В аэробный метаболизм гликолиз включен как начальный этап окисления глюкозы.
Реакции гликолиза ( рис.4.3.) протекают в цитозоле и катализируются ферментами, легко экстрагируемыми из клеток. В начале богатая энергией, но стабильная молекула глюкозы фосфорилируется за счет АТФ в реакции (1), катализируемой гексокиназой. Образованный глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6–фосфат (2) и еще раз фосфорилируется до фруктозо-1.6.-бисфосфата с использованием еще одной молекулы АТФ (3). Эта необратимая реакция является ключевой в регуляции гликолиза (см.4.7) и у растений имеет следующую особенность. Если у животных данную реакцию катализирует только один фермент – АТФ-зависимая фосфофруктокиназа (3), то в клетках растений на этой стадии действуют сразу два фермента. Помимо АТФ-зависимой фосфофруктокиназы растения также содержат пирофосфат-зависимую фосфофруктокиназу, которая катализирует фосфорилирование фруктозо-6-фосфата используя не АТФ, а пирофосфат (4). Впервые этот фермент был обнаружен в начале 80-тых годов в листьях ананаса, а затем и в других растительных объектах.
Цитозоль растительных клеток содержит ФФн в довольно высокой и устойчивой концентрации, который в ряде случаев выступает как энергетический эквивалент, или как донор фосфатных групп. ФФн –зависимая фосфофруктокиназа способна катализировать реакцию фосфорилирования фруктозо-6-фосфата в обоих направлениях, работая либо на синтез ФФн, либо на его удаление. Предполагается, что таким образом контролируется пул ФФн в цитозоле.
Отрицательно заряженные фосфатные
группы в молекуле фруктозо-1.6.-бисфосфата
облегчают ее распад при участии
альдолазы на – 3-фосфоглицериновый
альдегид (ФГА) и фосфодиоксиацетон
(ФДА) (5). Последний легко изомеризуется
в ФГА (6). На этой реакции завершается
первая стадия гликолиза: при использовании
двух молекул АТФ глюкоза фосфорилируется
и расщепляется на две половинки-
фосфотриозы, которые в дальнейшем
подвергаются одинаковым превращениям.В
О
торая
стадия гликолиза включает
окислительно-восстановительные реакции,
в которых образуются НАДН и АТФ. Окисление
3-фосфоглицеринового альдегида (7)
катализирует глицеральдегид-3-фосфат
дегидрогеназа . В ходе этой сложной
реакции, которая идет через образование
фермент-субстратного комплекса,
восстанавливается НАДН и образуется
1.3-дифосфоглицериновая кислота (1.3ФГК).
Последняя представляет собой
высокоэнергетическое соединение, в
молекуле которого есть макроэргическая
фосфатная связь. Синтез АТФ осуществляется
при переносе фосфатной группы от 1.3-ФГК
на АДФ в реакции (8), катализируемой
фосфоглицераткиназой. Таким образом
АТФ синтезируется в результате совместного
действия двух реакций, в первой из
которых макроэргическая связь образуется
на молекуле окисляемого субстрата.
Поэтому такой способ синтеза АТФ получил
название субстратного фосфорилирования.
В следующей реакции (9) 3-фосфоглицериновая
кислота превращается в 2 –фосфоглицериновую
кислоту, от которой при участии енолазы
отщепляется молекула воды (10). В результате
этой реакции вновь образуется
высокоэнергетическое соединение -
фосфоенолпируват (ФЕП). Второе субстратное
фосфорилирование связано с переносом
фосфатной группы от ФЕП на АДФ.
катализируемом пируваткиназой
(11). Образованный пируват является
конечным продуктом гликолиза.
Энергетический выход гликолиза небольшой. Если учесть, что на первом этапе активация глюкозы связана с расходом двух молекул АТФ, суммарный баланс можно выразить через уравнение:
Глюкоза + 2НАД+ + 2 Фн + 2 АДФ = 2 пирувата + 2 НАДН + 2Н+ +2 АТФ
При прорастании семян, если еще достаточно прочная наружная оболочка препятствует доступу кислорода, или при затоплении растений, гликолиз завершается реакциями спиртового или молочнокислого брожения. При этом образованный НАДН вновь окисляется при восстановлении пирувата соответственно до этанола или молочной кислоты.
У растений гликолиз протекает не только в цитозоле, но и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами и могут существенно различаться по своим свойствам. Пластидный гликолиз связан с мобилизацией крахмала и имеет место в гетеротрофных и фотосинтезирующих тканях. Однако в хлоропластах процесс, по-видимому, протекает только в темноте: на свету из-за высокой концентрации АТФ активность АТФ-зависимой фосфофруктокиназы подавлена ( см.4. 2.7 ). Предполагается, что образованные в гликолизе АТФ и НАДН используются в синтезе жирных кислот, который у растений протекает в пластидах. Следует также иметь ввиду, что пластидный гликолиз может идти не до конца, т.к. такие соединения как ФГА и ФГК могут уходить в цитозоль.